地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (4): 536-543
引用本文
王磊, 李孝波, 苏占东, 常晁瑜, 彭达. 高密度电法在黄土-泥岩接触面滑坡勘察中的应用[J]. 地质力学学报, 2019, 25(4): 536-543.
WANG Lei, LI Xiaobo, SU Zhandong, CHANG Chaoyu, PENG Da. APPLICATION OF HIGH-DENSITY ELECTRICAL METHOD IN LOESS-MUDSTONE INTERFACE LANDSLIDE INVESTIGATION[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(4): 536-543.
高密度电法在黄土-泥岩接触面滑坡勘察中的应用
王磊 , 李孝波 , 苏占东 , 常晁瑜 , 彭达     
防灾科技学院, 北京 101601
摘要:受特殊的地质地貌和大地构造背景影响,历史上多次强震在宁夏西吉县诱发了大量的黄土-泥岩接触面滑坡,给当地人民生命财产安全带来严重威胁。因此,探明这类滑坡的地层结构、基岩面埋深及空间展布情况,对进一步开展黄土-泥岩接触面滑坡的形成机理和危险性评价研究具有重要意义。文章利用高密度电法对宁夏西吉县苏堡村滑坡进行探测,并结合钻孔资料进行了验证。勘察结果表明:电阻率参数能够很好的反应研究区的地层分布特征,表层疏松干燥的黄土为高阻反映,随着埋深增加,含水量较大的黄土呈现出低阻反映,在黄土与泥岩接触带饱水区呈现低阻反映。高密度电法在黄土-泥岩接触面滑坡勘察中具有较好的适应性,能为进一步分析滑坡机理和防治提供可靠的地球物理依据。
关键词宁夏西吉县    滑坡    高密度电法    资料解释    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.04.052     文章编号:1006-6616(2019)04-0536-08
APPLICATION OF HIGH-DENSITY ELECTRICAL METHOD IN LOESS-MUDSTONE INTERFACE LANDSLIDE INVESTIGATION
WANG Lei , LI Xiaobo , SU Zhandong , CHANG Chaoyu , PENG Da     
Institute of Disaster Prevention, Beijing 101601, China
Abstract: Due to special geological conditions and regional geotectonic settings, several strong earthquakes occurred in Xiji county, Ningxia province in history, which induced a large number of loess-mudstone interface landslides, and brought serious threat to the safety of local people's life and property. Therefore, it is of great significance to explore the formation mechanism and risk assessment of loess-mudstone interface landslides by studying the formation structure, depth of bedrock and spatial distribution of such landslides. By using the high-density method, the stratum structure in the slope area was detected, and the survey results were validated by the bore hole columnar section. The observations of the resistivity well reflected the stratigraphy distribution. The loose and dry loess in the surface has high electrical resistance, and drops down with water content increases. The contact zone of mudstone and loess is saturated, which has low electrical resistance. This research proves that high density electrical method has good adaptability in loess-mudstone interface landslide investigation, which can provide reliable geophysical basis for further analysis of landslide mechanism and prevention.
Key words: Xiji County in NingXia    landslide    high-density electrical method    data interpretation    
0 引言

宁夏西吉地区属典型黄土地貌,区内第四纪黄土大面积披覆在第三系泥岩之上,受其特殊的地质地貌和大地构造背景影响,区内发育了大量的黄土地震滑坡[1-2]。西吉县大部分地区处于地震烈度Ⅷ度区,北部靠近海原活动断裂带为Ⅸ度区[3]。西吉县及周边区域历史上超过5级的地震共有30次,其中以1920年海原8.5级地震破坏程度最大,影响范围最广,在西吉县西南部形成了大量滑坡和堰塞湖。最近发生的一次破坏性地震是1970年西吉县苏堡5.5级地震,也诱发了一些新滑坡,并使少量老滑坡复活。这些地震滑坡主要有黄土层内滑坡和黄土-泥岩接触面滑坡两种类型[4-5],尤其以黄土-泥岩接触面滑坡发育数量最多[3]。这些滑坡具有滑动速度快、滑距远、堆积体覆盖范围广的特点,而且出现集中发育、成群出现的特点,严重危及人民生命财产安全[6-7]

作为工程物探中常用的方法之一,高密度电法具有施工快、效率高、经济节省的特点,且获取的岩土体物性信息量大、精度高,尤其对电性不均匀体探测效果较好。通过该方法,能够查明滑坡体的地层结构、空间展布等特征,获取滑坡体的岩土体组成、滑动面埋深、地下水位等数据,有助于研究滑坡的形成机理,进一步开展机理研究和滑坡防治工作。许多学者已将高密度电法应用于滑坡勘察方面,目前已经积累了较为丰富的经验。例如,张光保等[8]利用高密度电法基本上查明了褚家营巨型滑坡的坡体结构、滑面的形态、滑体的成分及厚度分布等特征。郭桥桥等[9]采用高密度电法和电阻率测深法对川西岷江地区发育的典型大型—巨型古滑坡进行了勘察,有效确定了滑坡的空间结构和滑带特征。张先林等[10]采用高密度电法勘探获取了甘肃黑方台地区地下水分布规律,为进一步研究灌溉诱发型黄土滑坡的形成机理提供基础数据。由于黄土和泥岩在矿物组成、孔隙度、含水量、渗透性等方面有较大的物理性质差异,因此推测黄土和泥岩在导电性能上具有较大的差异,具备采用电法勘探进行黄土-泥岩接触面滑坡勘探的前提条件。文章在野外调查的基础上,选取宁夏西吉县苏堡村滑坡为研究对象,采用高密度电法进行勘察,并通过钻探验证数据解释成果,以分析这种方法在黄土-泥岩接触面滑坡勘察中的可行性。

1 高密度电法的工作原理

高密度电法兼具电剖面和电测深两种方法的特点,在勘察过程中高密度布置测量电极,来获得地电断面。这种方法探测效率高,提供数据量大、信息多,且观测精度高、速度快,是寻找岩性界面、构造破碎带、地下含水层位等常用物探方法之一[11-13]。工作原理与常规直流电的电阻率法相同,仍然是以测量岩土体导电性差异为基础的电探方法[14]。通过A、B供电电极向地下供电(电流为I),然后通过测量电极M、N的电位差ΔUMN,从而求得该记录点的视电阻率值ρs,其表达式为:

$ {{\rho }_{\text{s}}}=K\frac{\Delta {{U}_{MN}}}{I} $ (1)
$ K=2\pi /\left( \frac{1}{AM}-\frac{1}{AN}-\frac{1}{BM}+\frac{1}{BN} \right) $ (2)

其中,AMANBMBN分别代表相应两个电极之间的距离,装置系数K与四个电极排列方式有关。根据电极的排列方式不同,可分为多种不同的装置类型。采用不同的装置对存在电性异常的岩土体探测都有一定的异常响应,但在勘探深度、分辨率及效果上稍有差异,在实际勘探中比较常见的是温纳装置[15]。根据实测的视电阻率数据传入计算机,利用数据处理软件分析处理,得到直观清晰的图像,用于成果解释,从而得到二维或三维的地电断面,用于分析地层岩性、空间展布和构造变化等,为解决实际工程地质问题提供基础数据。

数据处理选择常用的瑞典RES2DINV软件完成,采用最小二乘法对地质模型进行反演拟合计算。数据经过格式转换、剔除坏点、地形校正、反演等过程,形成带地形的二维反演文件,得到的结果可以导入其它成图软件中(如Surfer、CAD等),进一步编辑、修饰,生成电阻率剖面图像。高密度电法系统采集和处理过程如图 1所示。

图 1 高密度电法数据采集、处理流程图 Fig. 1 Data collection and processing flow chart of the high density resistivity method
2 地质概况及地球物理特征 2.1 地质概况

研究区为宁夏西吉县西南山区震湖乡附近区域,区内出露地层主要为新近系和第四系地层,第四系地层广泛分布于地表,主要为中晚更新世黄土以及全新统的河流相沉积物,黄土厚5~30 m不等。新近系砖红色泥岩、粉砂质泥岩地层仅在一些地势低洼处及深切沟谷底部零星出露。第四系黄土呈披盖状覆于新近系红色泥岩之上,构成二元地层结构,区内发育的大量地震滑坡的形成即主要受这种二元结构所控制。区内发育有北北西走向的隐伏断层(推测),目前仍处于活动状态(图 2)。

图 2 西吉县震湖乡附近区域地质图 Fig. 2 Regional geological map near the Zhenhu Town area in Xiji County

苏堡村滑坡发育于滥泥河右岸的黄土梁斜坡上(图 3),中心地理坐标为105°30′43″E,35°32′8″N。滑坡由1920年海原地震所诱发,滑坡前缘宽、后缘较窄,整体形态呈长簸箕状。后缘高程1985 m,前缘沟口高程1789 m,滑坡为典型低角度滑坡,两侧未滑区斜坡坡度约18°。滑坡后缘陡坎高约70 m,坡度较陡。主滑方向335°,沿主滑方向最大长度约1300 m,平均宽度约510 m,滑坡面积约0.66 km2,滑坡体平均厚度约30 m,体积约2000×104 m3,属特大型黄土地震滑坡。滑坡表面波状起伏,阶梯发育,多呈平台型,表明滑坡在滑动过程中未受到强烈扰动。斜坡失稳滑动后,越过滥泥河,抵达对岸,滑坡堆积体阻塞河道,形成堰塞湖。

图 3 苏堡村滑坡全貌(红色虚线处为滑坡边界,镜向SE) Fig. 3 General view of Subaocun Landslide (red dotted line camera towards SE)

根据资料和现场地质调查,滑坡类型为黄土-红黏土接触面滑坡。滑体成分主要为晚更新世黄土,结构松散、疏松多孔且具有湿陷性,垂直节理发育,在滑坡体后缘及两侧壁位置,可见多处黄土落水洞。地表水容易沿黄土垂直节理下渗至第三系泥岩。滑床岩性主要为第三系紫红色泥岩,颗粒细、塑性强、孔隙裂隙不发育,构成隔水底板,易在其上部与第四系黄土接触区域形成潜水层。泥岩表面经水浸泡,迅速软化,形成泥化层,为软弱结构面,进一步易发展成为滑面。斜坡前方冲沟底部可见砖红色泥岩零星出露。滑坡体中前部已大部分被开发成农田。滑坡体前缘堆积体及滑坡左下方为有大量民房,为震湖乡居民。区内地下水类型主要为潜水,多年平均降水量398 mm,且季节分布不均,主要集中在7—9月份。

2.2 地球物理特征

根据已有研究成果和一般岩土电阻率经验值统计分析,总结得到研究区各类地层岩性电阻率参考值[10, 16-17]。在较干燥条件下黄土电阻率一般要大于红黏土,且变化范围广;但在较为湿润条件下红黏土电阻率迅速降低,黄土电阻率一般远大于红黏土(表 1)。因此,可初步分析得出,苏堡村滑坡区域滑动面附近的岩土体和上覆含水量较高的黄土以及表层干燥的黄土之间存在着明显的电阻率差异,具备采用电法进行探测的地球物理条件。

表 1 地层岩性电性特征表 Table 1 Electrical parameters of different rocks
3 野外数据采集

野外高密度电法勘探采用的是骄鹏集团(GeoPen)生产的E60D分布式高密度电法仪。由于地表起伏较大,滑坡区中部和前缘覆盖有大片松散干燥的耕土,周围地电干扰较大,因此采集数据时排列装置采用抗干扰能力相对较强的温纳装置[18]。采用64根电极进行测量,电极距设为5 m。布置测线和电极时,尽量避开了松散填土、堆碎石、高压电线下方等位置,在地表黄土较为松散干燥的地段加浇盐水。采用RTK进行地表地形测绘,每一根电极的位置均进行了精确定位,以便在后期数据处理时进行地表地形校正。

为查明滑坡地层结构、基岩面埋深以及空间展布等要素,根据现场施工条件,在滑坡体上共布置3条高密度电法测线,测线总长度1360 m。主测线L1走向350°,为纵测线,与滑坡滑向基本一致,从后缘陡坎下方延伸至前缘堆积体。同时在滑坡体后部和中部分别布置了两条平行的横切测线L2和L3,与L1测线近于垂直(图 4)。对距离较长的L1测线采用滚动式测量法,然后将测得的数据在计算机中进行拼接,得到整条测线的数据。野外进行电法数据采集时,现场将测得的数据传输到便携式笔记本中进行初步处理,做出初步的推断解释,并与滑坡区现场条件进行对比,找出异常点的位置,对异常点及突变点进行检查和核实,以确保获取的电性数据具有可靠性。

图 4 苏堡村滑坡测线布置图 Fig. 4 Layout of measuring line in Subaocun Landslide
4 高密度电阻率探测资料成果 4.1 各测线电阻率剖面成果及解释

经过处理,得到苏堡村滑坡各测线电阻率断面图(图 5图 7)。对这三个断面图分别进行分析解释如下:

图 5 苏堡村滑坡物探主测线L1电阻率色谱断面图 Fig. 5 The resistivity chromatographic profile of the main geophysical measuring line in Subaocun Landslide

图 6 苏堡村滑坡物探横测线L2电阻率色谱断面图 Fig. 6 The resistivity chromatographic profile of geophysical measuring line L2 in Subaocun Landslide

图 7 苏堡村滑坡物探横测线L3电阻率色谱断面图 Fig. 7 The resistivity chromatographic profile of geophysical measuring line L3 in Subaocun Landslide

从主测线L1数据反演处理后的视电阻率断面图可以看出水平电性分层特征明显(图 5)。在表层0~15 m范围电阻率变化较大且分布不均,电阻率在50~1000 Ω·m之间变化,推测表层主要为松散疏松的黄土。前部堆积体表层多为破碎疏松的耕土,因而电阻率偏高。表层还不规则分布有高阻晕团,推断为落水洞异常。在地层15~35 m埋藏深度范围内,电阻率在0~20 Ω·m之间变化,地层结构和电阻率相对比较稳定,推测为黄土状粉质黏土,空隙性较大,随着土层的含水量逐渐增大电阻率变低。在35 m深度以下,随着地层深度增大,电阻率逐渐增大,推测为下伏基岩。该测线上滑坡滑床的平均埋深约为35 m,在滑坡体前部滑面埋深较大,局部可达40 m。

滑坡体后部横测线L2,贯穿滑坡右侧边界,地形高程变化较大。从反演处理后的视电阻率断面图上可以看出水平电性分层特征明显(图 6)。表层0~15 m范围内电阻率稍高(50~500 Ω·m),为疏松干燥的黄土。测线右侧浅部出现不规则且分布不均的高阻晕团,推测与测区沟谷众多、黄土裂隙、落水洞较发育有关。在中部10~30 m范围电阻率稍低,电阻率在0~20 Ω·m小范围内变化,推测为泥岩与黄土状粉质黏土接触带上部区域,土层的含水量较大,电阻率较低。在40 m以下埋深区域,电阻率明显逐渐变大,大于200 Ω·m,推测为下伏基岩。

横测线L3位于滑坡体中部,地表多为经改造后的耕田,总体地形起伏较小。从电阻率断面图上可以看出,滑坡岩土体具有明显的水平电性分层特征(图 7)。在浅层0~20 m深度范围内,电阻率较高,主要位于50~1000 Ω·m范围内,主要为疏松干燥的黄土。浅部还不均匀分布有不规则的高阻晕团,推测与该段测线通过区域表层土多为干燥松散的耕土,较为疏松破碎有关。在中部深度20~40 m深度范围内,电阻率较低(0~30 Ω·m),且连续性较好,推测为泥岩与黄土状粉质黏土接触带上部区域,随着含水量增加,电阻率迅速降低。在下部深度40 m以下,随着深度逐渐增大,电阻率逐渐增大,推测为下伏基岩。

综合而言,电法反演剖面体现出明显的水平成层性,电阻率随着深度变化整体呈现出高→低→高电阻率的规律性变化,结合滑坡区野外调查的结果可分别解译为浅部干黄土层和耕植土、含水量逐渐变高的湿黄土层和下伏泥岩等地层结构。根据主测线L1的反演结果,结合现场对滑坡边界的调查,绘制出苏堡村滑坡的滑坡结构剖面图(图 8)。滑坡体上部为第四系黄土,下伏基岩为新近系泥岩,平均埋深约35 m,在滑坡体中前部滑面较深,局部可达40 m。

图 8 电法揭示的苏堡村滑坡剖面 Fig. 8 The profile map of Subaocun Landslide through the electrical method
4.2 钻孔资料验证

为了验证高密度电法探测结果的准确性,自上至下,分别在高密度电法测线通过区域或附近位置布置3处勘探孔进行验证,分别为在L1主测线水平距离308 m、390 m处布置ZK1和ZK2,在L3横测线水平距离148 m处布置钻孔ZK3(图 4)。经过数据处理后获得钻孔岩芯柱状图(图 9)。分析岩芯柱状图可知:ZK1钻孔1.4 m以上为表层耕植土,1.4~29.6 m为第四系黄土,29.6m以下为新近系泥岩;ZK2钻孔1 m以上为表层耕植土,1~33 m为黄土,33m以下为泥岩;ZK3钻孔0.8 m以上为表层杂填土,0.8~38 m为黄土,38m以下为泥岩。通过钻探与高密度电法探测目标体深度对比后发现,高密度电法资料反演解释的地电剖面与钻探揭示的含水性较高的黄土层位及基岩埋藏深度具有很好的一致性。

图 9 勘察钻孔揭示的岩芯柱状图 Fig. 9 Columnar section revealed by bore holes
5 结论

文章基于野外详细调查,采用高密度电法对宁夏西吉县苏堡村滑坡进行勘察,并结合钻探资料进行对比分析,目的是对高密度电法在黄土-泥岩接触面滑坡勘察中的适用性进行研究,进而分析黄土地震滑坡的地层结构、岩土体地球物理特征,为黄土地震滑坡的形成机理和防治研究提供参考数据。

(1) 通过对滑坡体多条电法测线反演图像的综合分析,查明了滑坡的地层结构和基岩面埋深。该滑坡总体可以分为表层耕植土和干燥疏松的黄土层,厚约15~20 m,中部为黄土状粉质黏土,在泥岩上部接触区域含水量较高,厚约10~15 m,下伏基岩为新近系紫红色泥岩,平均埋深约35 m,在滑坡体中前部滑面较深,局部可达40 m。

(2) 通过二维高密度电阻率法探测成果与测区内布置的勘察钻孔资料进行对比,解释的地层结构和基岩埋深吻合性较一致,证明了高密度电阻率法对黄土-泥岩接触面地震滑坡的勘察是有效的。

(3) 通过该次电法勘察,积累了黄土地震滑坡勘察的实践经验。高密度电法具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便的特点。通过勘察数据反演结果分析了黄土滑坡岩土体电阻率分布特征,得出了测区滑坡体的地层结构、基岩面埋深的基本特征,不仅对该滑坡体的整体情况有了较为详细的认识,也对进一步研究滑坡的失稳机理和滑坡防治具有重要意义。

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